La chaîne industrielle du carbure de silicium de mon pays !

Le carbure de silicium (SiC) est la principale direction de développement de l'industrie des semi-conducteurs de puissance, ce qui peut améliorer considérablement le taux d'utilisation de l'énergie électrique lorsqu'elle est utilisée pour fabriquer des dispositifs électriques. Dans un avenir prévisible, les véhicules utilisant de nouvelles énergies constitueront les principaux scénarios d’application des dispositifs électriques en carbure de silicium. En tant que pionnier de la technologie, Tesla a pris les devants en intégrant tous les modules en carbure de silicium dans le modèle 3, et d'autres constructeurs automobiles de premier plan prévoient également d'étendre l'application du carbure de silicium. Avec la baisse des coûts de fabrication des dispositifs en carbure de silicium et la maturité progressive de la technologie, on peut s’attendre à l’avenir de l’industrie des dispositifs électriques en carbure de silicium. [Qu'est-ce que le carbure de silicium ? Le carbure de silicium (SiC) est le matériau semi-conducteur composé de troisième génération. La pierre angulaire de l'industrie des semi-conducteurs sont les puces, et les matériaux de base pour la fabrication des puces sont divisés en matériaux semi-conducteurs de première génération (principalement du silicium de haute pureté qui est largement utilisé à l'heure actuelle), et en matériaux semi-conducteurs composés de deuxième génération (arséniure de gallium et phosphure d'indium). et les matériaux semi-conducteurs composés de troisième génération (carbure de silicium et nitrure de gallium) selon le processus historique. En raison de ses propriétés physiques supérieures : bande interdite élevée (correspondant à un champ électrique de claquage élevé et à une densité de puissance élevée), conductivité électrique élevée et conductivité thermique élevée, le carbure de silicium sera à l'avenir le matériau de base le plus largement utilisé pour les puces semi-conductrices. [Propriétés physiques et chimiques du carbure de silicium]La principale forme de carbure de silicium dans les puces semi-conductrices est le substrat. Les puces semi-conductrices peuvent être divisées en circuits intégrés et dispositifs discrets, mais la structure de base des circuits intégrés et des dispositifs discrets peut être divisée en structure « substrat-dispositif épitaxial ». La principale forme de carbure de silicium dans les semi-conducteurs est un matériau de substrat.La plaquette de carbure de silicium est une feuille monocristalline formée par coupe, meulage, polissage et nettoyage de cristaux de carbure de silicium. En tant que matériau de substrat semi-conducteur, la plaquette de carbure de silicium peut être transformée en dispositifs électriques à base de carbure de silicium et en dispositifs RF micro-ondes par croissance épitaxiale et fabrication de dispositifs, ce qui constitue un matériau de base important pour le développement de l'industrie des semi-conducteurs de troisième génération. Selon la différence de résistivité, les plaquettes de carbure de silicium peuvent être divisées en type conducteur et type semi-isolant. Parmi eux, les plaquettes conductrices en carbure de silicium sont principalement utilisées pour fabriquer des dispositifs électriques à haute température et haute tension, à grande échelle ; Le substrat semi-isolant en carbure de silicium est principalement utilisé dans les dispositifs RF à micro-ondes et dans d'autres domaines. Avec la construction accélérée du réseau de communication 5G, la demande du marché a évidemment augmenté.[Recherche sur la technologie de traitement du carbure de silicium] La dureté du SiC est juste derrière celle du diamant, et il peut être utilisé comme abrasif pour les outils de meulage tels que les meules. Par conséquent, les meules diamantées sont principalement utilisées pour le meulage, le meulage et le polissage, parmi lesquelles les meules diamantées ont la plus grande efficacité et constituent un moyen important pour le traitement du SiC. Cependant, le matériau SiC présente non seulement les caractéristiques d'une dureté élevée, mais également sa grande fragilité et sa faible ténacité à la rupture facilitent la rupture fragile du matériau lors du processus de meulage, laissant ainsi une couche superficielle brisée à la surface du matériau. et causant de graves dommages en surface et sous la surface, ce qui affecte la précision de l'usinage. Par conséquent, il est d’une grande importance d’étudier en profondeur le mécanisme de broyage et les dommages souterrains du SiC afin d’améliorer l’efficacité du broyage et la qualité de surface du SiC. 1. Mécanisme de meulage des matériaux durs et cassants Broyez les matériaux durs et cassants, et les abrasifs ont des effets de roulement ou de micro-coupe sur eux. Lorsque des particules abrasives agissent sur la surface avec des bosses et des fissures, au fur et à mesure de la progression du meulage, certaines particules abrasives sont pressées dans la pièce sous l'action de la charge de meulage, et la pointe exposée est utilisée pour rayer la surface de la pièce pour une micro-coupe. . L'autre partie des grains abrasifs roule entre la pièce et le disque de meulage pour produire une action de roulement, ce qui fait que la surface de la pièce forme des microfissures, et la fissure s'étend pour former des éclats cassants sur la surface de la pièce, atteignant ainsi l'objectif de surface suppression. Étant donné que la résistance à la traction des matériaux durs et cassants est inférieure à la résistance à la compression, lorsque les particules abrasives sont chargées, des microfissures seront générées à la contrainte de traction maximale sur la surface des matériaux durs et cassants. Lorsque des fissures entrecroisées s’étendent et se croisent, la partie entourée de fissures se brise et s’effondre en petits morceaux. Il s'agit du processus de base de génération de copeaux et de formation de surface lors du meulage de matériaux durs et cassants. Le carbure de silicium étant un matériau fragile de haute dureté, un fluide de meulage spécial est nécessaire. La principale difficulté technique du meulage du carbure de silicium réside dans la mesure et le contrôle précis de l’épaisseur amincissante du matériau de haute dureté. Après le meulage, la surface de la plaquette sera endommagée, des microfissures et des contraintes résiduelles, et l'amincissement de la plaquette en carbure de silicium provoquera plus de déformation que celle de la plaquette en carbure de silicium. 2. Recherche sur le traitement de polissage du carbure de silicium. À l'heure actuelle, les méthodes de polissage du carbure de silicium comprennent principalement le polissage mécanique, le polissage magnétorhéologique, le polissage chimico-mécanique (CMP), le polissage électrochimique (ECMP), le polissage assisté par catalyseur ou gravure assistée par catalyseur (CACP/CARE), le polissage tribochimique (TCP). et polissage assisté par plasma (PAP). La technologie de polissage chimique (CMP) est actuellement un moyen important de traitement des semi-conducteurs, et c'est également la technologie la plus efficace pour traiter la surface du silicium monocristallin au niveau atomique. C'est la seule technologie pratique capable de réaliser une planarisation locale et globale dans le processus de traitement. L'efficacité du traitement du CMP est principalement déterminée par la vitesse de réaction chimique à la surface de la pièce. En étudiant l'influence des paramètres du procédé sur la vitesse de polissage des matériaux SiC, les résultats montrent que la vitesse de rotation et la pression de polissage ont une grande influence ; Et la température et le pH de la solution de polissage ont peu d’influence. Afin d'améliorer la vitesse de polissage des matériaux, la vitesse de rotation doit être augmentée autant que possible. Bien que l'augmentation de la pression de polissage puisse également améliorer le taux de retrait, il est facile d'endommager le tampon de polissage. À l'heure actuelle, la méthode de polissage du carbure de silicium présente les problèmes d'un faible taux d'enlèvement de matière et d'un coût élevé, et il n'existe pas de meulage et de polissage abrasifs, de traitement auxiliaire catalytique et d'autres méthodes de traitement. En raison des conditions exigeantes et du fonctionnement compliqué de l'appareil, il est encore en laboratoire et il est peu probable qu'il soit produit en série. Le carbure de silicium a été découvert pour la première fois dans des météorites en 1905 et provient désormais principalement d'une synthèse artificielle. Le carbure de silicium a de nombreuses utilisations et son envergure industrielle est vaste. Il peut être utilisé comme matériaux de traitement technique pour le silicium monocristallin, le silicium polycristallin, l'arséniure de potassium, le cristal Shi Ying, etc., l'industrie solaire photovoltaïque, l'industrie des semi-conducteurs et l'industrie des cristaux piézoélectriques. [Flux de processus de traitement du carbure de silicium] Les plaquettes de carbure de silicium sont constituées de poudre de silicium de haute pureté et de poudre de carbone de haute pureté comme matières premières, et les cristaux de carbure de silicium sont cultivés par transport physique de vapeur (PVT), puis transformés en plaquettes de carbure de silicium. . ① synthèse des matières premières. La poudre de silicium de haute pureté et la poudre de carbone de haute pureté sont mélangées selon une certaine proportion, et les particules de carbure de silicium sont synthétisées par réaction à une température élevée supérieure à 2,000 XNUMX ℃. Après concassage, nettoyage et autres processus, des matières premières de micropoudres de carbure de silicium de haute pureté répondant aux exigences de la croissance cristalline sont préparées. ② Croissance cristalline. En utilisant une micropoudre de carbure de silicium de haute pureté comme matière première, le cristal de carbure de silicium a été cultivé par transport physique de vapeur (PVT) dans un four de croissance cristalline développé par nous-mêmes. Son principe de croissance est illustré dans la figure suivante :Une micropoudre de carbure de silicium de haute pureté et des germes cristallins sont respectivement placés au bas et au sommet d'un creuset cylindrique en graphite scellé dans un four de croissance monocristallin. Le creuset est chauffé à plus de 2,000 XNUMX ℃ par induction électromagnétique et la température du germe cristallin est légèrement inférieure à celle de la micropoudre inférieure, formant ainsi un gradient de température axial dans le creuset. La micropoudre de carbure de silicium se sublime à haute température pour former des substances gazeuses telles que Si2C, SiC2, Si, etc., et, entraînée par un gradient de température, elle atteint le germe cristallin à une température plus basse et cristallise dessus pour former un lingot cylindrique de carbure de silicium. . ③ Traitement des lingots. Le lingot de carbure de silicium obtenu est orienté à l'aide d'un orienteur monocristallin à rayons X, puis broyé à plat et roulé, et transformé en cristal de carbure de silicium de diamètre standard. ④ Découpe de cristal. Utilisez un équipement de coupe multifils pour couper le cristal de carbure de silicium en fines tranches d'une épaisseur ne dépassant pas 1 mm. ⑤ meulage des plaquettes. Broyage de la plaquette jusqu'à la planéité et la rugosité requises à l'aide d'un fluide de meulage diamanté de différentes tailles de particules. ⑥ polissage des plaquettes. Une plaquette de polissage en carbure de silicium sans dommage de surface est obtenue par polissage mécanique et polissage chimico-mécanique. ⑦ inspection des plaquettes. À l'aide d'un microscope optique, d'un diffractomètre à rayons X, d'un microscope à force atomique, d'un testeur de résistivité sans contact, d'un testeur de planéité de surface, d'un testeur complet de défauts de surface et d'autres instruments et équipements, divers paramètres tels que la densité des microtubules, la qualité des cristaux, la rugosité de surface, la résistivité, la déformation, la courbure, le changement d'épaisseur et les rayures superficielles de la tranche de carbure de silicium ont été détectés et la qualité de la tranche a été jugée en conséquence. ⑧ Nettoyage des plaquettes. Nettoyer la feuille de polissage en carbure de silicium avec un agent de nettoyage et de l'eau pure pour éliminer les contaminants de surface résiduels tels qu'une solution de polissage sur la feuille de polissage, puis souffler et faire tourner la tranche avec de l'azote ultra-pur et un essoreur ; La tranche est conditionnée dans une boîte à tranches propres dans une salle ultra-propre pour former une tranche de carbure de silicium qui peut être ouverte et utilisée immédiatement en aval. Plus la taille de la tranche est grande, plus il est difficile de faire croître et de traiter le cristal correspondant, tandis que plus l'efficacité de fabrication des dispositifs en aval est élevée, plus le coût unitaire est faible. À l'heure actuelle, les fabricants internationaux de plaquettes en carbure de silicium fournissent principalement des plaquettes en carbure de silicium de 4 à 6 pouces, et des entreprises internationales de premier plan telles que CREE et II-VI ont commencé à investir dans la construction de lignes de production de plaquettes en carbure de silicium de 8 pouces. [Situation de l'industrie du carbure de silicium]01. Le carbure de silicium (SiC) est un matériau idéal pour les appareils haute puissance. Le silicium est le matériau de base de première génération dans l’industrie des semi-conducteurs. À l’heure actuelle, plus de 95 % des composants de circuits intégrés dans le monde sont constitués de silicium. À l’heure actuelle, avec le développement des véhicules électriques, de la 5G et d’autres applications, la demande d’appareils haute puissance, haute tension et haute fréquence augmente rapidement. Lorsque la tension est supérieure à 900 V, la carte courte du MOSFET de puissance à base de silicium et de l'IGBT sera exposée, ce qui sera limité dans de nombreux aspects tels que l'efficacité de conversion, la fréquence de commutation et la température de fonctionnement. Le carbure de silicium (SiC) est largement utilisé dans les appareils électroniques à haute température, haute tension, haute fréquence et haute puissance, dans l'aérospatiale et dans d'autres environnements extrêmes en raison de sa large bande interdite (3 fois celle du Si), de sa conductivité thermique élevée (3.3 fois celle du Si ou 10 fois celle du GaAs), de son taux de migration de saturation électronique élevé (2.5 fois celui du Si) et de son champ électrique de claquage élevé (5 fois celui du Si ou du GaAs). Le carbure de silicium est obtenu en fondant du sable de quartz, du coke de pétrole (ou du coke de charbon), de la sciure de bois (le sel est nécessaire pour produire du carbure de silicium vert) et d'autres matières premières dans un four à résistance à haute température. 02. Avantages des dispositifs semi-conducteurs de puissance SiC Le semi-conducteur de troisième génération, également connu sous le nom de semi-conducteur à large bande interdite en raison de sa structure physique, est principalement représenté par le nitrure de gallium et le carbure de silicium. Ses caractéristiques de performance de semi-conducteur sont différentes de celles du silicium de première génération et de l'arséniure de gallium de deuxième génération, ce qui lui confère les avantages d'une bande interdite élevée, d'une conductivité thermique élevée, d'une intensité de champ de claquage élevée et d'un taux de dérive de saturation électronique élevé. Il est ainsi possible de développer des dispositifs à semi-conducteurs de puissance miniaturisés qui sont plus adaptés aux conditions difficiles telles que la résistance à haute température, haute puissance, haute tension, haute fréquence et aux rayonnements, et de dépasser efficacement les limites physiques des dispositifs à semi-conducteurs de puissance traditionnels à base de silicium et de leurs matériaux.

À l'heure actuelle, le processus principal de préparation du substrat SiC est grossièrement divisé en deux étapes : la première étape consiste à sublimer la poudre de SiC à haute température dans un four monocristallin, puis à former un lingot de SiC dans le four monocristallin ; Deuxièmement, l'usinage grossier, la découpe, le meulage et le polissage du lingot de SiC pour obtenir une plaquette de SiC transparente ou translucide (c'est-à-dire un substrat de SiC) sans couche endommagée et avec une faible rugosité.

Direction de l'évolution technique : en termes de dispositifs, des dispositifs à haute tension de tenue supérieure à 3.3 kv sont en cours de développement et une conception de tranchée est introduite pour améliorer les performances et la fiabilité des dispositifs ; En termes d'emballage, le processus d'emballage sera optimisé pour tirer pleinement parti des avantages de la résistance à haute température du carbure de silicium.